分选信号肽功能化的石墨烯量子点/硅量子点：新型活细胞超微结构成像荧光探针的制备与应用前景探究

It is very important that we in-depth observing spatial /temporal regulation of subcellular structure, qualitative /quantitative analysis of dynamics changes of biomolecular, and exploring substance transport and interaction on molecular levels, which should be beneficial to find new mechanisms for regulation with the development of human diseases, and importantly, identify key targets for clinical diagnosis or new drug research, that also provide a new visual for biomedical applications. Live cell fluorescence biosensor is forefront of analytical chemistry and an important research tools to achieve live cell imaging ultrastructural analysis, it have attracted more and more attention. This project prepares a variety of sizes of graphene quantum dots and silicon quantum dots as a fluorescent label, sorting signal peptide as recognition molecules, for live cell ultrastructural imaging. First, we used the as-prepared functional graphene quantum dots / silicon quantum dots as high-resolution membrane-targeted organelles tracer for mitochondria, endoplasmic reticulum, lysosome, peroxisome. Second, by transforming target recognition sequences, assisting super-resolution imaging system, we have achieved super-resolution imaging of mitochondrial endometrial tissue system and endoplasmic reticulum membrane in living cells. Third, using fused-sliced nuclear localization signal sequences, and cAMP-dependent protein kinase peptide recognition molecules , we further explore potential applications of such fluorescence biosensor in living cells visualized proteins quantitative detection.

通过深入观察活细胞内亚结构的时空调节，定性定量分析生物分子动态变化，探究分子层次的物质运输及相互作用，有利于不断发现人类疾病发展中的调控新机制，找出关键靶点用于临床诊断或新药研究。更能给生物医药科学领域的研究提供新视觉。而活细胞荧光生物传感是实现活细胞超微结构成像分析的重要工具，也是当前分析化学的前沿与发展趋势。本项目拟制备多种尺寸的石墨烯量子点和硅量子点作为荧光标签，含有分选信号序列的肽链作为识别分子，为活细胞超微结构成像构建荧光生物传感新技术平台，首先应用于线粒体、内质网、溶酶体、过氧化酶体四种有膜细胞器的高分辨靶向示踪；第二，通过靶向探针识别序列改造，超分辨成像系统的辅助，实现活细胞内线粒体内膜组织系统以及内质网功能膜的超分辨示踪；第三，利用融合分片式核定位信号斑序列与cAMP依赖蛋白激酶肽链结合区域的多肽识别分子进一步探究该类荧光生物传感技术在活细胞重要蛋白质可视化定量检测。

利用活细胞生物传感在亚细胞水平获得生物分子的空间分布信息，对理解其功能、相互作用和细胞活动原理都十分重要，有利于开发关键靶点服务于临床诊断及药物研究。基于前期工作基础，以p型单晶硅、芘、石墨粉或三聚氰胺为原料，成功制备了7种适用于活细胞超微结构成像的新型量子点荧光探针——一种高荧光量子产率34%的水溶性硅量子点（蓝光，b-NH3-SiQDs）、四种水溶性石墨烯量子点（蓝光，b-NH3-GQDs；绿光，g-NH3-GQDs；黄光，y-NH3-GQDs；红光，r-OH-GQDs）、一种亚稳态水溶性铜量子点（橙红色光，r-CuQDs）、一种高荧光量子产率26%的水溶性氮化碳量子点（蓝光)；选取b-NH3-SiQDs和g-NH3-GQDs作为荧光标签，将蛋白质转运的分选信号多肽序列引入识别分子设计，成功引导硅量子点从胞浆进入溶酶体、线粒体和内质网，引导石墨烯量子点从胞浆进入内质网，分别在单、双光子激发作用下实现多种亚细胞器高分辨示踪，结果验证了这些荧光生物成像探针适合用来进行活细胞超微结构示踪；通过基于二维片状结构的石墨烯量子点与基于球体结构的硅量子点在内质网荧光定位成像效果的相互比较，显示量子点构型与亚细胞器定位之间无明显相关性；将分片式核定位信号斑序列与PKA底物肽序列相融合，引入量子点识别分子，尝试了活细胞内PKA靶向可视化定量分析；也揭示了一些硅量子点和石墨烯量子点在超高分辨荧光显微成像领域应用的局限性及改进策略；此外，利用基于TCSDA的以dsDNA为模板即时制备橙红光铜量子点，成功实现高灵敏度高选择性宽检测区间检测细胞代谢能量分子ATP（检测下限达5 pM）。这些工作拓展了量子点荧光探针在亚细胞结构成像领域中的应用潜力，改进了分子定量解析功能，为基础研究、临床诊断及药物筛选提供了生物传感新方法新思路。以本项目为基础，已发表SCI论文2篇，指导6名学生获创新创业大赛省级金奖1项，参加全国性学术会议8次、国际学术会议1次，与国内外多个实验室建立稳定合作关系。